CN115110076B - 一种超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件的方法，1）对球墨铸铁轴类零件表面进行处理;2）对球磨铸铁轴类零件进行探伤,3）将球墨铸铁轴类零件放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光器定位到需要修复的位置，确定修复位置三维坐标定点，焊接变位机开启旋转；4）配置合金粉末，将配好的合金粉末送进载气式送粉器；5）激光器对球墨铸铁轴类零件的磨损位置进行超高速激光熔覆；6）将激光熔覆完成的球磨铸铁轴类零件自然冷却至室温；7）对球墨铸铁轴类零件修复位置进行探伤；8）按照图纸，对球磨铸铁轴类零件进行机械加工。本发明工艺简单易于操作，能够有效减少修复铸铁的工艺步骤，降低生产成本。

Description

一种超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件的方法
技术领域
本发明属于超高速激光熔覆加工领域，特别涉及一种超高速激光熔覆修复球墨铸铁轴类零件的加工工艺方法。
背景技术
球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，基于其优异的机械性能，得以在一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的场景广泛的应用，特别的是球磨铸铁的轴类零件在整个工业体系中是非常典型的机械结构，由于载荷条件和运行的环境的恶劣性导致球磨铸铁轴类零件表面产生磨损而失效。
目前，球墨铸铁轴类零件修复方法主要有：人工电焊和常规激光熔覆表面增材，但是在整个增材的过程中，大量热能的输入易导致铸铁表面产生气孔、裂纹。采用人工电焊的方法需要将铸铁308焊条加热保温再进行人工操作，焊接工艺流程繁杂，人工成本很高，热影响区大，人为因素影响大，而且手工焊接过程中极易在焊接区与基体过渡处形成严重的热应力集中等原因，故手工电弧焊修复后的球墨铸铁轴类零件由于过渡处应力集中而发生断裂的危险，严重影响修复的效果和使用的寿命。
传统激光熔覆技术的修复效率会大打折扣，同时配上温度控制的复杂工艺导致整个流程更加繁琐，修复的时间和过程繁杂效率低下满足不了企业的生产需求，同时现有的两种技术增材的过程中现有的技术需要通过加热系统加热工件到固定温度，然后在温度一定的基础开始增材制造，但如果温度控制不好或者在运行的而过程中导致热量的损失过大依旧难以避免开裂，气孔等问题。目前，需要一种能够高效率修复球磨铸铁轴类零件，减少各类繁杂的工艺和轴断裂的风险，减少球墨铸铁的修复时间，提升修复的效率和产能，降低使用球磨铸铁轴类零件的成本。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种工艺简单、耗能少、返修时间短、人工成本低的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法。
本发明采用的技术方案是: 一种基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法,包括以下步骤：
（1）对球墨铸铁轴类零件表面进行处理；
（2）对球磨铸铁轴类零件进行探伤, 确保球磨铸铁轴类零件表面没有裂纹；
（3）将球墨铸铁轴类零件放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光器定位到需要修复的位置，确定需要修复的位置的三维坐标定点，焊接变位机开启旋转；
（4）配置合金粉末，合金粉末各组分的质量百分比为：C：0.15~0.20%、Cr：6~10%、Ni：12.00~15.00%、Mn：0.25~0.30%、Mo：1.50~2.00%、V：0.09~1.00%、Nb：0.08~0.10%、Si：0.98~1.00%、B：0.90~1.00%、P：0.01~0.02%，余量为Fe，将配好的合金粉末送进载气式送粉器；
（5）载气式送粉器利用氩气将合金粉末均匀运送到需要修复的位置，激光器对球墨铸铁轴类零件的需要修复的位置进行超高速激光熔覆，将铸铁因受热产生的气孔隔开，在需要修复的位置激光熔覆2~3层；
（6）将激光熔覆完成的球磨铸铁轴类零件自然冷却至室温；
（7）对冷却后的球墨铸铁轴类零件修复位置进行探伤；
（8）按照图纸，对磨铸铁轴类零件进行机械加工，得到尺寸、精度及表面质量均合格的成品件，检测合格后进行包装。
上述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法中,步骤1）具体操作如下：使用无水乙醇清洗球墨铸铁轴轴类零件表面；检测球墨铸铁轴轴类零件的尺寸，确定的磨损部位和磨损量，磨损部位即为需要修复的位置，车削球磨铸铁轴类零件磨损位置，车削深度大于磨损量。
上述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法中,步骤2）中, 对球磨铸铁轴类零件进行探伤时,仅对球磨铸铁轴类零件车削处进行探伤；若有裂纹缺陷,车削掉该裂纹缺陷,再探伤,直至没有裂纹缺陷,若没有裂纹缺陷,进行下一步。
上述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法中, 步骤（5）中，载气式送粉器的送气的压力0.5MPa，流量的大小9L/min，载气式送粉器具有搅拌功能，搅拌转速为2.0rad/min。
上述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法中, 激光器采用半导体激光器，步骤（5）中，设定激光熔覆的工艺参数为：激光器功率1600W~2000W，圆光斑为2.0mm，搭接率为50%~80%，扫描速度为80~100mm/s，送粉速度为120~150g/min。
上述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法中,步骤（2）中探伤方法采用磁粉探伤或者超声波探伤；步骤（7）中探伤方法采用着色探伤或者超声波探伤。
上述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法中,步骤（7）中，探伤若有裂纹,则车削掉激光熔覆层,重复步骤(3)-(6),若没有裂纹,进行下一步。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明工艺步骤简单，可控性强适合大规模生产修复，便于实现自动化。
2、本发明修复过程中能源消耗少，高效、绿色制造可持续发展，有效降低了生产成本，提升生产效率。
3、利用本发明修复后的球墨铸铁轴类零件不会出合金涂层开、气孔等缺陷，合金组织致密，实现基材和合金粉末冶金结合。
4.本发明的方法只需控制好热量和合金粉末的输入，就能获得质量良好的涂层，操作方法简单，本发明的方法可控性强，具有步骤简单，成本低，工作可靠特点。
5. 采用本发明制备的球墨铸铁轴类零件工作表面合金层中致密，含有的稀有金属能让金属层的晶粒得到细化，在磨损实验中的耐磨损性能比现有技术获得的球磨铸铁轴类零件涂层的耐磨实验中的寿命提高2倍，具有一定社会经济效益，可以满足市场和企业的需求，符合绿色制造的理念。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明实施例2用于低镍铬球墨铸铁轧辊时的结构图。
图3是本发明实施例2修复后的低镍铬球墨铸铁轧辊的结构图。
图中：1是喷嘴, 2是合金粉末与激光交汇点；3是激光熔覆合金层；4是球墨铸铁轴类零件。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实例对某钢厂的轧机的普通无限冷硬球墨铸铁轧辊采用超高速激光熔覆。球墨铸铁轧辊原料成分如下： w(C)=2.9%~3.8%；w(Si)=0.3%~0.6%；w (Mn)= 0.3%~0.6%；w(P)=0.3%~0.5%；w(S)<0.12%；w(Mo)= 0.2%~0.6%；余量Fe。
1）对无限冷硬球墨铸铁轧辊处理：使用无水乙醇清洗无限冷硬球磨铸铁轧辊表面，检测无限冷硬球墨铸铁轧辊的尺寸，确定无限冷硬球墨铸铁轧辊的磨损部位为辊面、磨损量为单边1.93mm，磨损部位即为需要修复的位置，根据检测的结果，车削球磨铸铁轴类零件磨损位置，车削深度为2.40mm，以保证零件表面因服役产生的微裂纹去除干净。
2）对无限冷硬球墨铸铁轧辊表面采用磁粉探伤或者超声波探伤，确保无限冷硬球墨铸铁轧辊表面磨损部位没有明显的裂纹等缺陷。对无限冷硬球磨铸铁轴类零件进行探伤时,仅对无限冷硬球磨铸铁轴类零件车削处进行探伤；若有裂纹缺陷,车削掉该裂纹缺陷,再探伤,直至没有裂纹缺陷,若没有裂纹缺陷,进行下一步。
3）将无限冷硬球墨铸铁轧辊放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光器定位到需要修复的位置，确定需要修复的位置三维坐标定点，焊接变位机开启旋转。
4）配制合金粉末，合金粉末各组分的质量百分比为：C：0.15%;Cr：6%;Ni：12.00%;Mn：0.25%;Mo：1.50%;V：0.09%;Nb：0.08%;Si：0.98%;B：0.90%;P：0.01%，余量为Fe，将配好的合金粉末送进载气式送粉器。
5）设定载气式送粉器参数：送气的压力0.5MPa，流量的大小9L/min，载气式送粉器设有搅拌功能，搅拌转速2.0rad/min，载气式送粉器利用氩气将合金粉末均匀运送到需要修复的位置；激光器对无限冷硬球墨铸铁轧辊磨损位置进行超高速激光熔覆，将铸铁因受热产生的气孔隔开，在需要修复的位置激光熔覆3层。
激光器采用半导体激光器，每层的激光熔覆的工艺参数如下表：
6）将激光熔覆好的无限冷硬球墨铸铁轧辊放置自然冷却。
7） 无限冷硬球磨铸铁轧辊在高速激光熔覆过程中产生的温度场和应力场进行了数值模拟和分析，同时冷却后的无限冷硬球磨铸铁轧辊产生的残余应力场，论证激光在修复的运行过程中的无限冷硬球墨铸铁轧辊轴承位置的可行性。
8）对冷却的无限冷硬球墨铸铁轧辊进行着色探伤或者超声波探伤，检测熔覆表面是否有影响轧辊工作的裂纹、气孔等缺陷。探伤若有裂纹、气孔缺陷,则车削掉激光熔覆层,重复步骤(3)-(6),若没有裂纹,进行下一步。
9）按照图纸以及有关的技术要求对激光熔覆后的无限冷硬球墨铸铁轧辊轴承位置进行机械精加工，同时对加工的精度检测，检测其修复质量是否合格，校核后直接打包和包装。
实施例2
本实例对某钢厂的轧机的低镍铬球墨铸铁轧辊采用超高速激光熔覆，低镍铬球墨铸铁轧辊原料成分如下： w(C)=3.0%~3.6%；w(Si)=0.3%~0.6%； w (Mn)= 0.3%~0.6%；w(P)=0.3%~0.5%；w(S)<0.12%；w(Ni)= 1.0%~2.6%； w(Cr)= 0.3%~1.0%；w(Mo)= 0.2%~0.6%；余量Fe。
1）对低镍铬球墨铸铁轧辊处理：使用无水乙醇清洗低镍铬球墨铸铁轧辊表面，检测尺寸，确定低镍铬球墨铸铁轧辊的磨损部位为辊面、磨损量为单边1.89mm，磨损部位即为需要修复的位置，根据检测的结果，车削球磨铸铁轴类零件磨损位置，车削深度为2.40mm，以保证零件表面因服役产生的微裂纹去除干净。
2）对低镍铬球墨铸铁轧辊表面探伤，探伤方法采用磁粉探伤或者超声波探伤，确保低镍铬球墨铸铁轧辊表面磨损部位没有明显的裂纹等缺陷。对低镍铬球磨铸铁轴类零件进行探伤时,仅对低镍铬球磨铸铁轴类零件车削处进行探伤；若有裂纹缺陷,车削掉该裂纹缺陷,再探伤,直至没有裂纹缺陷,若没有裂纹缺陷,进行下一步。
3）将已经清洗好和检测好的球墨铸铁轴类轧辊放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光器定位到需要修复的位置，确定需要修复的位置的三维坐标定点，焊接变位机开启旋转。
4）配制合金粉末，合金粉末各组分的质量百分比为：C： 0.20%;Cr：10%;Ni：15.00%;Mn： 0.30%;Mo：2.00%;V：1.00%;Nb： 0.10%;Si：1.00%;B：1.00%;P：0.02%，余量为Fe，将配好的合金粉末送进载气式送粉器。
5）设定载气式送粉器参数：送气的压力0.5MPa，流量的大小9L/min，载气式送粉器设有搅拌功能，搅拌转速2.0rad/min，载气式送粉器利用氩气将合金粉末均匀运送到需要修复的位置；激光器对低镍铬球墨铸铁轧辊磨损位置进行超高速激光熔覆，将铸铁因受热产生的气孔隔开，在相同的位置激光熔覆3层。
激光器采用半导体激光器，设定每层激光熔覆的工艺参数如下表：
对低镍铬球墨铸铁轧辊进行第一层激光熔覆，得到图1中的第一层合金熔覆层3，将铸铁因受热产生的气孔隔开，在需要修复的位置激光熔覆第2~3层，合金熔覆层总厚2~3mm；
6）将激光熔覆好的低镍铬球墨铸铁轧辊放置自然冷却。
7）低镍铬球墨铸铁轧辊在高速激光熔覆过程中产生的温度场和应力场进行了数值模拟和分析，同时冷却后的低镍铬球墨铸铁轧辊产生的残余应力场，论证激光在修复的运行过程中的低镍铬球墨铸铁轧辊轴承位置的可行性。
8）对冷却的低镍铬球墨铸铁轧辊进行着色探伤或者超声波探伤，检测熔覆表面是否有影响轧辊工作的裂纹、气孔等缺陷。探伤若有裂纹、气孔缺陷,则车削掉激光熔覆层,重复步骤(3)-(6),若没有裂纹,进行下一步。
9）按照图纸以及有关的技术要求对激光熔覆后的低镍铬球墨铸铁轧辊轴承位置进行机械精加工，同时对加工的精度检测，检测其修复质量是否合格，校核后直接打包和包装。
实施例3
本实例对某钢厂的轧机的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊采用超高速激光熔覆。中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊原料成分如下：w(C)=3.0%~3.6%；w(Si)=0.3%~0.6%；w (Mn)= 0.3%~0.6%；w(P)= 0.3%~0.5%；w(S)<0.12%；w(Ni)= 2.0%~3.0% ；w(Cr)= 0.5%~1.4%；w(Mo)=0.2%~0.6%；余量Fe。
1）对中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊处理：使用无水乙醇清洗中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊表面，检测尺寸，确定中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊的磨损部位为辊面、磨损量为单边1.97mm，磨损部位即为需要修复的位置，根据检测的结果，车削球磨铸铁轴类零件磨损位置，车削深度为2.50mm，以保证零件表面因服役产生的微裂纹去除干净。
2）对中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊表面探伤，探伤方法采用磁粉探伤或者超声波探伤，确保球中镍铬冷硬墨铸铁轧辊表面磨损部位没有明显的裂纹等缺陷。对中镍铬冷硬球磨铸铁轴类零件进行探伤时,仅对中镍铬冷硬球磨铸铁轴类零件车削处进行探伤；若有裂纹缺陷,车削掉该裂纹缺陷,再探伤,直至没有裂纹缺陷,若没有裂纹缺陷,进行下一步。
3）将已经清洗好和检测好的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光自定义定位到需要修复的位置，确定需要修复的位置的三维坐标定点，焊接变位机开启旋转。
4）配制合金粉末，合金粉末各组分的质量百分比为：C：0.175%;Cr：8%;Ni：13%;Mn：0.275%;Mo：1.8%;V：0.09%;Nb：0.09%;Si：0.99%;B：0.95%;P：0.02%，余量为Fe，将配好的合金粉末送进载气式送粉器。
5）设定载气式送粉器参数：送气的压力0.5MPa，流量的大小9L/min，载气式送粉器设有搅拌功能，搅拌转速2.0rad/min，载气式送粉器利用氩气将合金粉末均匀运送到需要修复的位置；激光器对中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊磨损位置进行超高速激光熔覆，将铸铁因受热产生的气孔隔开，在需要修复的位置激光熔覆3层。
采用半导体激光器，设定每层的激光熔覆的工艺参数如下表：
6）将激光熔覆好的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊放置自然冷却；
7）中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊在高速激光熔覆过程中产生的温度场和应力场进行了数值模拟和分析，同时冷却后的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊产生的残余应力场，论证激光在修复的运行过程中的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊轴承位置的可行性。
8）对冷却的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊进行着色探伤或者超声波探伤，检测熔覆表面是否有影响轧辊工作的裂纹、气孔等缺陷。探伤若有裂纹、气孔缺陷,则车削掉激光熔覆层,重复步骤(3)-(6),若没有裂纹,进行下一步。
9）按照图纸以及有关的技术要求对激光熔覆后的中镍铬冷硬球墨铸铁轧辊轴承位置进行机械精加工，同时对加工的精度检测，检测其修复质量是否合格，校核后直接打包和包装。
实施例4
本实例对某钢厂的轧机的高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊采用超高速激光熔覆。高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊的原料成分如下： w(C)=3.0%~3.6%；w(Si)=0.3%~0.6%； w (Mn)= 0.3%~0.6%；w(P)= 0.3%~0.5%； w(S)<0.12%； w(Ni)=30%~4.5% ； w(Cr)= 0.5%~1.7%；w(Mo)=0.2%~0.6%；余量Fe。
1）对高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊处理：使用无水乙醇清洗高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊表面，检测尺寸，确定高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊的磨损部位为辊面、磨损量为单边1.84mm，磨损部位即为需要修复的位置，根据检测的结果，车削高镍铬冷硬球磨铸铁轴类零件磨损位置，车削深度为2.35mm，以保证零件表面因服役产生的微裂纹去除干净。
2）对高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊表面进行探伤，探伤方法采用磁粉探伤或者超声波探伤，确保高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊表面的磨损部位没有明显的裂纹等缺陷。对高镍铬冷硬球磨铸铁轴类零件进行探伤时,仅对高镍铬冷硬球磨铸铁轴类零件车削处进行探伤；若有裂纹缺陷,车削掉该裂纹缺陷,再探伤,直至没有裂纹缺陷,若没有裂纹缺陷,进行下一步。
3）将已经清洗好和检测好的球墨铸铁轴类轧辊放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光自定义定位到需要修复的位置，确定需要修复的位置的三维坐标定点，激光焊接变位机开启旋转。
4）配制合金粉末，合金粉末各组分的质量百分比为：C：0.18%;Cr：6~10%;Ni：14%;Mn：0.28%;Mo：1.8%;V：1.00%;Nb：0.09%;Si：1.00%;B：1.00%;P： 0.02%，余量为Fe，将配好的合金粉末送进载气式送粉器。
5）设定载气式送粉器参数：送气的压力0.5MPa，流量的大小9L/min，载气式送粉器设有搅拌功能，搅拌转速2.0rad/min，载气式送粉器利用氩气将合金粉末均匀运送到需要修复的位置；激光器对高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊磨损位置进行超高速激光熔覆，将铸铁因受热产生的气孔隔开，在需要修复的位置激光熔覆3层。
激光器采用半导体激光器，设定每层激光熔覆的工艺参数如下表：
6）将激光熔覆好的高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊放置自然冷却。
7）高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊在高速激光熔覆过程中产生的温度场和应力场进行了数值模拟和分析，同时冷却后的高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊产生的残余应力场，论证激光在修复的运行过程中的高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊轴承位置的可行性。
8）对冷却的高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊进行着色探伤或者超声波探伤，检测熔覆表面是否有影响轧辊工作的裂纹、气孔等缺陷。探伤若有裂纹、气孔缺陷,则车削掉激光熔覆层,重复步骤(3)-(6),若没有裂纹,进行下一步。
9）按照图纸以及有关的技术要求对激光熔覆后的高镍铬冷硬球墨铸铁轧辊轴承位置进行机械精加工，同时对加工的精度检测，检测其修复质量是否合格，校核后直接打包和包装。

Claims (4)

1.一种基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法,包括以下步骤：
（1）对球墨铸铁轴类零件表面进行处理;
（2）对球墨铸铁轴类零件进行探伤, 确保球墨铸铁轴类零件表面没有裂纹； 对球墨铸铁轴类零件进行探伤时,仅对球墨铸铁轴类零件车削处进行探伤；若有裂纹缺陷,车削掉该裂纹缺陷,再探伤,直至没有裂纹缺陷,若没有裂纹缺陷,进行下一步；
（3）将球墨铸铁轴类零件放置在具有回旋功能的焊接变位机，激光器定位到球墨铸铁轴类零件的需要修复的位置，确定需要修复的位置的三维坐标定点，焊接变位机开启旋转；
（4）配置合金粉末，合金粉末各组分的质量百分比为：C：0.15~0.20%、Cr：6~10%、Ni：12.00~15.00%、Mn：0.25~0.30%、Mo：1.50~2.00%、V：0.09~1.00%、Nb：0.08~0.10%、Si：0.98~1.00%、B：0.90~1.00%、P：0.01~0.02%，余量为Fe，将配好的合金粉末送进载气式送粉器；
（5）载气式送粉器利用氩气将合金粉末均匀运送到需要修复的位置，激光器对球墨铸铁轴类零件的需要修复的位置进行超高速激光熔覆，将球墨铸铁因受热产生的气孔隔开，在需要修复的位置激光熔覆2~3层；激光器采用半导体激光器，设定激光熔覆的工艺参数为：激光器功率为1200W或1600W~2000W，圆光斑直径为2.0mm，搭接率为50%~80%，扫描速度为80~100mm/s，送粉速度为120~150g/min；
载气式送粉器的送气压力0.5MPa，流量大小9L/min，载气式送粉器具有搅拌功能，搅拌转速为2.0rad/min；
（6）将激光熔覆完成的球墨铸铁轴类零件自然冷却至室温；
（7）对冷却后的球墨铸铁轴类零件修复位置进行探伤；
（8）按照图纸，对球墨铸铁轴类零件进行机械加工，得到尺寸、精度及表面质量均合格的成品件，检测合格后进行包装。
2.根据权利要求1所述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法,步骤1）具体操作如下：使用无水乙醇清洗球墨铸铁轴类零件表面；检测球墨铸铁轴类零件的尺寸，确定磨损部位和磨损量，磨损部位即为需要修复的位置，车削球墨铸铁轴类零件磨损位置，车削深度大于磨损量。
3.根据权利要求1所述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法,步骤（2）中探伤方法采用磁粉探伤或者超声波探伤；步骤（7）中探伤方法采用着色探伤或者超声波探伤。
4.根据权利要求1所述的基于超高速激光熔覆球墨铸铁轴类零件修复方法,步骤（7）中，探伤若有裂纹,则车削掉激光熔覆层,重复步骤(3)-(6),若没有裂纹,进行下一步。
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